Нейтронный детектор



Нейтронный детектор
Нейтронный детектор

 


Владельцы патента RU 2469354:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок. Сущность изобретения заключается в том, что нейтронный детектор содержит источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, при этом чувствительный элемент датчика выполнен в виде многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев источника и поглотителя заряженных частиц, слои источника заряженных частиц выполнены из стабильного нерадиоактивного материала, слои источника и/или поглотителя заряженных частиц электрически подключены к затворам полевых транзисторов, а полевые транзисторы соединены со схемой регистрации изменения сопротивления канала транзистора. Технический результат - исключение делящегося вещества, уменьшение чувствительности к фоновым излучениям, обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников, обеспечение многократности использования, упрощение технической реализации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок, и может быть использовано в системах управления и защиты ядерных реакторов, подкритических сборок, импульсных и других источников нейтронов, в научных исследованиях.

Известен детектор нейтронов, который содержит резистивный элемент в виде таблетки из делящегося материала с низкой теплопроводностью и большим удельным электросопротивлением. Под действием излучения элемент нагревается и изменяется его электросопротивление, которое измеряется. Патент Российской Федерации №1526403, МПК: G01T 3/00, 1997 г. Недостатками аналога являются: использование радиоактивных материалов, низкий уровень генерируемого электрического сигнала, низкая помехозащищенность к электромагнитным наводкам, отсутствие возможности обеспечения неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания по флюенсу нейтронов.

Известен детектор нейтронов, включающий корпус, заполненный люминесцирующей газовой средой и делящимся материалом, и фотоприемник. В одном из торцов корпуса размещен волоконный световод, соединенный с регистрирующей системой посредством фотоприемника с фильтром, при этом делящийся материал выполнен в виде слоя и нанесен на боковую поверхность корпуса. Полезная модель Российской Федерации №30008, МПК: G01T 1/16, 2003 г. Недостатками аналога являются: использование радиоактивных материалов; низкая эффективность регистрации из-за относительно малого сечения реакции деления; отсутствие возможности обеспечения неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания по флюенсу нейтронов; энергозависимость.

Известен детектор нейтронов, содержащий чувствительный элемент из материала, в состав которого входит делящийся под действием нейтронов материал, и энергонезависимый преобразователь энергии с электрическим выходом, в котором чувствительный элемент выполнен из материала с эффектом памяти формы, энергонезависимый преобразователь включает два одинаковых пьезоэлектрических генератора, включенных электрически параллельно встречно, при этом чувствительный элемент установлен с возможностью взаимодействия с указанными генераторами в процессе формовосстановления при превышении потоком нейтронов критического уровня через дополнительно введенный упругий элемент, механически связанный с чувствительным элементом и размещенный с зазорами между пьезоэлектрическими генераторами. Патент Российской Федерации №2332689, МПК: G01T 3/00, 2008 г. Прототип.

Недостатками прототипа являются: использование делящегося вещества; низкая эффективность регистрации из-за относительно малого сечения реакции деления; невозможность многократного использования и изменения порога срабатывания без замены чувствительного элемента и пористого держателя; ограниченное быстродействие; невозможность измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; сложность изготовления и большое количество конструктивных элементов. Задачами изобретения являются: исключение делящегося вещества; уменьшение чувствительности к фоновым излучениям; обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; обеспечение многократности использования.

Техническим результатом является:

- исключение делящегося вещества;

- уменьшение чувствительности к фоновым излучениям;

- обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников;

- обеспечение многократности использования;

- упрощение технической реализации.

Технический результат достигается тем, что в нейтронном детекторе, содержащем источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, чувствительный элемент датчика выполнен в виде многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев источника и поглотителя заряженных частиц, слои источника заряженных частиц выполнены из стабильных нерадиоактивных материалов, отличающихся энергетической зависимостью эффективности генерации заряженных частиц при взаимодействии с быстрыми нейтронами, слои источника и/или поглотителя заряженных частиц электрически подключены к затворам полевых транзисторов, а полевые транзисторы соединены со схемой регистрации изменения сопротивления канала транзистора. Схема регистрации изменения сопротивления выполнена в виде мостовой электрической схемы, а полевые транзисторы включены в ее противоположные плечи. Слои источника заряженных частиц выполнены из нескольких материалов, отличающихся энергетической зависимостью эффективности генерации заряженных частиц при взаимодействии с быстрыми нейтронами.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2.

На Фиг.1 схематично показано устройство многослойного чувствительного элемента нейтронного детектора, где 1 - электрический изолятор, 2 - слои источника заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, 3 - слои поглотителя заряженных частиц.

На Фиг.2 показано подключение многослойного чувствительного элемента нейтронного детектора в мостовую измерительную схему, где 4 - полевой транзистор, 5 - электрическая схема для измерения тока в диагонали мостовой схемы, возникающего при разбалансировке моста, 6 - вакуумируемый корпус для многослойного чувствительного элемента нейтронного детектора. Плечами моста являются собственно каналы транзисторов 4 и резисторы R1 и R2. Резистор R1 служит для начальной балансировки моста.

Нейтронный детектор работает следующим образом.

Нейтроны, попадающие в тот или иной материал источника заряженных частиц 2, вызывают ядерную реакцию и излучение заряженных частиц, часть из которых выходит и в сторону поглотителя заряженных частиц 3. В случае применения для слоев источника различных материалов они должны излучать заряженные частицы одного знака. Тогда слои источника заряженных частиц 2 и слои поглотителя заряженных частиц 3 набирают заряд противоположных знаков. Этот заряд индуцирует соответствующий электрический заряд на затворах полевых транзисторов 4.

Появление заряда на затворе полевого транзистора 4 приводит к изменению сопротивления его канала. В случае быстрых нейтронов ослабление нейтронного излучения в отдельном слое источника 2 или поглотителя 3 заряженных частиц пренебрежимо мало. Поэтому величина накопленного заряда и, соответственно, изменение сопротивления канала транзистора 4 определяется количеством слоев источника заряженных частиц 2 и поглотителя заряженных частиц 3. Применение нескольких слоев в источнике заряженных частиц 2 и поглотителе заряженных частиц повышает чувствительность детектора.

Для измерения сопротивления канала полевого транзистора 4 может быть применена, например, мостовая электрическая схема.

Изменение сопротивлений канала транзистора 4 приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению тока в ее диагонали.

Изменение сопротивления в двух плечах мостовой схемы происходит синхронно и в противоположных направлениях. Синхронное изменение сопротивлений каналов транзисторов 4 обеспечивает увеличение чувствительности детектора по отношению к устройству с одним транзистором, подключенным либо к слоям источника заряженных частиц 2, либо к слоям поглотителя заряженных частиц 3, так как уменьшает влияние собственных шумов транзистора.

При подключении и источника заряженных частиц 2, и поглотителя заряженных частиц 3 к затворам транзисторов происходит удвоенное изменение тока в диагонали мостовой схемы по сравнению с подключением только источника или поглотителя.

Шумовой сигнал при таком подключении возрастает лишь в 20.5 раз по причине статистической независимости шумов разных транзисторов.

Восстановление исходного состояния детектора происходит за счет компенсации электрических зарядов источника заряженных частиц 2 и поглотителя заряженных частиц 3 в результате электрического разряда, возникающего между источником заряженных частиц 2 и поглотителем заряженных частиц 3 при превышении разности потенциалов между ними выше значения напряжения пробоя. Для этого источник и/или поглотитель может быть снабжен заостренным электродом (на чертеже не показан).

Чувствительный элемент нейтронного детектора размещен в вакуумируемом корпусе 6. Корпус 6 откачивают до давления не более нескольких десятков миллиметров ртутного столба. В корпусе 6 установлены проходные электрические разъемы для подключения слоев источника заряженных частиц 2 и слоев поглотителя заряженных частиц 3 к затворам полевых транзисторов. Откачивание воздуха из корпуса 6 чувствительного элемента является необходимым условием его работоспособности.

При наличии молекул воздуха между источником заряженных частиц 2 и поглотителем заряженных частиц 3 сила электрического поля между ними компенсируется полем, обусловленным поляризацией молекул воздуха.

Чувствительность нейтронного детектора зависит от используемых для источника материалов, толщины и площади каждого слоя источника заряженных частиц 2 в отдельности, площади слоев поглотителя заряженных частиц 3, входной емкости полевых транзисторов 4, чувствительности схемы регистрации 5.

Материал источника 2 заряженных частиц определяет количество единичных зарядов, выходящих из источника в сторону поглотителя 3.

Расчеты показывают, что для датчика быстрых нейтронов лучшими материалами для источника 2 с точки зрения максимального выхода заряда на единичный нейтрон являются изотопы В11 и Са40. В обоих случаях при взаимодействии с быстрыми нейтронами излучаются заряженные частицы одного знака (положительного). Выход заряженных частиц из слоев В11 и Са40 максимален при толщине, соответственно, 100 мкм и 1500 мкм.

В таблице приведены максимальные выходы единичного заряда из этих материалов при указанных толщинах на один попавший в них быстрый нейтрон, рассчитанные для различных энергий нейтрона.

Энергия нейтрона, МэВ Материал источника
В11 Са40
1 3.2Е-5 8.3Е-7
1,5 6.6Е-5 1.3Е-6
2,5 8.7Е-5 1.2Е-5
4 6.4Е-5 2.4Е-5
6 8.5Е-5 1.6Е-4
10 8.5Е-5 3.8Е-4
14,5 1.7Е-4 4.1Е-4

Из таблицы видно, что эффективность датчика с источником из Са40 растет с увеличением энергии нейтрона и более чем на порядок превышает эффективность датчика с В11 при энергии нейтрона 14,5 МэВ.

Эффективность датчика с источником из В11 слабо зависит от энергии быстрого нейтрона в диапазоне энергий 1-14,5 МэВ, но существенно выше, чем у Са40, в области энергий быстрых нейтронов менее примерно 4 МэВ.

Применение обоих материалов в источнике заряженных частиц 2 обеспечивает высокую эффективность регистрации во всем диапазоне энергий ≈ 1 МэВ - 14 МэВ. Регулировать энергетическую зависимость чувствительности в этом диапазоне энергий можно количеством слоев того или иного материала.

Сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами для бора В11 и Са40, приводящего к рождению заряженных частиц, пренебрежимо мало по сравнению с сечением взаимодействия с быстрыми нейтронами. Это обеспечивает низкую чувствительность датчика к фоновому излучению тепловых нейтронов.

Чувствительность к фоновому гамма-излучению также крайне низка из-за малой вероятности ядерных реакций под действием гамма-излучения с рождением заряженных частиц.

Влияние электромагнитных наводок уменьшено применением двух идентичных транзисторов, включенных в противоположные плечи мостовой схемы.

Поглотитель заряженных частиц 3 выполнен из материала с хорошей электропроводностью, обладающим минимальным коэффициентом отражения (альбедо) для падающих на него заряженных частиц. Одним из таких материалов является, например, графит.

Величина нейтронного потока измеряется величиной тока в диагонали мостовой схемы.

Данная мостовая схема приведена лишь для примера и не является единственным вариантом исполнения схемы регистрации.

Заряд, появившийся на затворе полевого транзистора, приводит к появлению на нем напряжения U:

U=Q/C,

где Q - заряд на затворе, С - входная емкость транзистора.

Напряжение, соответствующее уровню шумов полевого транзистора, составляет несколько микровольт.

Для примера, примем это напряжение, равным 3 мкВ, а входную емкость транзистора, равной 1 пФ. Расчет показывает, что напряжение в 3 мкВ возникает при появлении на затворе около 20 единичных зарядов. Для источника из Са40 с площадью одного слоя 1 см2 и количеством слоев 10 такой величины заряд возникает при попадании на чувствительный элемент датчика, примерно, 5·103 быстрых нейтронов с энергией 14,5 МэВ.

1. Нейтронный детектор, содержащий источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, отличающийся тем, что чувствительный элемент датчика выполнен в виде многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев источника и поглотителя заряженных частиц, слои источника заряженных частиц выполнены из стабильного нерадиоактивного материала, слои источника и/или поглотителя заряженных частиц электрически подключены к затворам полевых транзисторов, а полевые транзисторы соединены со схемой регистрации изменения сопротивления канала транзистора.

2. Нейтронный детектор по п.1, отличающийся тем, что схема регистрации изменения сопротивления выполнена в виде мостовой электрической схемы, а полевые транзисторы включены в ее противоположные плечи.

3. Нейтронный детектор по п.1, отличающийся тем, что слои источника заряженных частиц выполнены из нескольких материалов, отличающихся энергетической зависимостью эффективности генерации заряженных частиц при взаимодействии с быстрыми нейтронами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок.

Изобретение относится к сцинтилляционным детекторам для регистрации ионизирующих излучений, обнаружения источников излучений, определения направления на них и их идентификации, для измерения спектра быстрых нейтронов.

Изобретение относится к области регистрации и спектрометрии быстрых нейтронов и может быть использовано в области физики реакторов и экспериментальной нейтронной физике.

Годоскоп // 2416112
Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для обнаружения радиоактивных материалов и источников. .

Изобретение относится к детекторам элементарных частиц и может быть применено для регистрации нейтронов в физических экспериментах, а также в атомной энергетики (в зонах АЭС, в которых имеется интенсивное гамма-излучение).

Изобретение относится к детектору нейтронов для детектирования нейтронов в областях с существенным - или -излучением, содержащему чувствительный к нейтронам кристалл-сцинтиллятор (10), обеспечивающий сигнал захвата нейтрона, который сильнее сигнала захвата -излучения, с энергией 3 МэВ, полупроводниковый фотодетектор, оптически соединенный с кристаллом-сцинтиллятором, причем кристалл-сцинтиллятор и полупроводниковый фотодетектор (20) выбирают таким образом, чтобы время сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора в полупроводниковом фотодетекторе превышало время сбора полного заряда для сигналов, генерируемых непосредственно детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе, детектор нейтронов также содержит устройство сэмплирования сигналов детектора, устройство (35) обработки цифровых сигналов, средство, которое отличает сигналы непосредственно из полупроводникового фотодетектора, индуцированные - или -излучением и по меньшей мере частично поглощаемые полупроводниковым фотодетектором, от сигналов света, поступающих в полупроводниковый фотодетектор, испускаемые кристаллом-сцинтиллятором после захвата по меньшей мере одного нейтрона, путем разделения по форме импульса, используя различие между временем сбора полного заряда для сигналов сцинтиллятора от времени сбора полного заряда для сигналов, генерируемых прямым детектированием ионизирующего излучения в полупроводниковом фотодетекторе, и средство, которое отличает индуцированные нейтронами сигналы от индуцированных -излучением сигналов в кристалле-сцинтилляторе путем разделения разных сигналов по высоте их импульса, используя различие между количеством фотонов, сгенерированных нейтроном и -излучением, в интересующей области.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для обнаружения и идентификации опасных материалов как активными, так и пассивными методами на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, пунктах таможенного досмотра, публичных местах и т.д.

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, в частности к устройствам для изучения бета-распада, включая измерения времени жизни нейтрона в бета-распаде.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии излучения нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей

Изобретение относится к области детекторов радиоактивного излучения сцинтилляционного типа для использования в скважинном каротажном инструменте

Изобретение относится к устройству измерения скорости счета камеры деления и устройству калибровки соответствующей камеры деления

Изобретение относится к области ядерной техники, в частности к калибровке эмиссионных детекторов нейтронов для внутризонного контроля распределения энерговыделения в ядерных реакторах

Изобретение относится к углеводородной промышленности, более конкретно данное изобретение касается инструментов нейтронного каротажа, используемых при исследовании геологической формации

Изобретение может быть использовано в медицинских томографах, при неразрушающем контроле в промышленности, для обеспечения безопасности при осмотре личного имущества, в физике высоких энергий. Сцинтиллятор для детектирования нейтронов содержит кристалл фторида металла из ряда, включающего LiCaAlF6, LiSrAlF6, LiYF4, служащий в качестве матрицы, в котором содержание атомов 6Li в единице объема (атом/нм3) от 1,1 до 20. Кристалл имеет эффективный атомный номер от 10 до 40 и содержит, по меньшей мере, один вид лантаноида, выбранного из группы, состоящей из церия, празеодима и европия. Нейтронный детектор содержит указанный сцинтиллятор и фотодетектор. Для получения кристалла фторида металла расплавляют смесь, составленную из фторида лития, фторида указанного металла, имеющего валентность 2 или выше, и фторида лантаноида, и выращивают монокристалл из расплава. Сцинтиллятор по изобретению имеет высокую чувствительность к нейтронному излучению и пониженный фоновый шум, связанный с γ-лучами. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.
Наверх